五、宇宙无限论的再生

摘要: 本文首先从引力场的space-time本质出发阐述了微波背景辐射问题，根据space-time平权理论阐述了频率红移现象，使Big Bang Cosmology失去了实验基础，否定了Big Bang Cosmology。

关键词： 微波背景辐射、频率红移、引力场的space-time本质、Big Bang Cosmology、pace-time平权

李晓卿：“一定能揭示红移现象所蕴含着极为丰富的物理内容，使我们认识达到一次飞跃。” 天文学报1976.2

何香涛，沈小峰：“红移争论”是近代天体物理学中最热门的讨论课题之一。 《自然辩证法通讯》1983.1

（一）宇宙论中时间箭头的争论

霍金写到：“迄今，大部分科学家太忙于发展描述宇宙为何物的理论，以至于没工夫去过问为什么的问题。另一方面，以寻根究底为己任的哲学家不能跟得上科学理论的进步。”一种观点认为，宇宙学时间箭头是由相对论时间对称场方程加初始条件产生的，宇宙空间的膨胀使得电磁扩散波相对于电磁收缩波占了上风，即滞后波远多于超前 波，这就形成了电磁学时间箭头，从热力学时间箭头派生出信息论和生物学的时间箭头。在涉及到熵的增加时，多数物理学家认为，初始火球在刚开始时实际上是处 于热平衡，但是那个时刻的宇宙非常微校火球所代表的是那一微小尺度的宇宙所能允许的最大熵的状态，但是这种允许的熵和在今天宇宙尺度下能允许的熵相比较 是微不足道的。随着宇宙膨胀，可允许的最大熵随着宇宙尺度增加，但是宇宙中的实际的熵远远落在允许的最大值后面。由于实际的熵总是拼命去追赶允许的最大 值，所以产生了第二定律。

彭罗斯认为，这不可能是对热力学第二定律的正确解释。如果真是如此，在一个最终塌缩到大挤压的空间闭合的宇宙模型中，该论证在时间的颠倒方向上最终又 能适用。适合于膨胀宇宙极早期并给予了我们低熵的同一限制应该又能适用于收缩宇宙的最后阶段。“时间开端”处的熵限制给出了热力学第二定律。如果把同一低 熵的限制应用于时间的终结处，则我们应该在那里发现和热力学第二定律的严重冲突。彭罗斯指出，我们有充分的理由怀疑在塌缩的宇宙中会有这种熵的反转。其中 最有力的原因是黑洞相当于一个塌缩宇宙的微观模型；如果宇宙塌缩时熵要反转，那么在一个黑洞附近必须能观察到第二定律的严重违反。然而，黑洞热力学与量子 效应的研究都使人相信第二定律强有力地支配着黑洞。

霍金认为宇宙起源于一个光滑和有序的状态，这是一个非常特殊而又自然的初始边界条件。彭罗斯认为，宇宙的初始奇点与终极奇点是不对称的，初始奇点（大 爆炸）的魏尔曲率必须为零，而终结奇性的魏尔曲率会发散，在一个开放宇宙中所产生的黑洞也具有发散的魏尔张量。在彭罗斯看来，初始奇点是非常特殊的，为了 产生一个和我们生活其中的相类似的宇宙，造物主必须瞄准可能宇宙的相空间中的不可思议的小体积——在所考虑的情况下大约为总体积的 1/1010（123）。彭罗斯已经把宇宙的开端归结为奇迹。从普赖斯提出的超时间观点看，宇宙的熵增过程的确应当象彭罗斯那样理解为为什么宇宙开端的熵 那么低，而宇宙开端熵很低的问题又等价于我们是否能够重新形成低熵的未来。

彭罗斯的想法看来已经给出了时间箭头的正确条件。还有一个问题没有解决：为什么不从大塌缩开始向大爆炸走呢？这就是根据超时间观点提出的问题。彭罗斯 用粗粒化方法计算熵，这里面包含着主观主义的各种问题。他承认不同的粗粒化会给出不同的结果，但他认为这在实际上不会造成很大差别，因为在开始和结束时刻 所涉及的这两个熵值是由“天壤之别”的。实际上，对于熵的计算，我们不一定采用统计力学中的粗粒化方法，直接根据热量变化和温度的关系就可以计算，按照彭 罗斯的设想，我们需要搞清引力熵的性质如何。

霍金指出，魏尔曲率假设在给出宇宙学时间的两端具有不同的边界条件这一点上有合理之处。但是，他同时又提出批评：1. 它不是CPT不变的；2. 魏尔张量不能一度准确为零；也不能解释小起伏。霍金认为，宇宙早期的魏尔张量接近为零，同时允许有小的涨落，这可以从无边界条件中推出；宇宙演化晚期的魏 尔曲率发散，与量子宇宙论的场方程（一般是惠勒——德维特方程）具有两个复数解有关。其中的一个解就是半个欧氏四维球和洛氏德西特解的一个小部分相连接； 另一个可能解释以同样的半欧氏四维球连接到一个洛氏解上，该洛氏解膨胀到非常大的半径，然后再收缩到给定边界上的小半径。这两个解对应着宇宙论时间的两 端：在第一个仅具有很短的洛氏时期的解的情形，三度规hij的微扰衰减得很厉害，相当于魏尔张量接近零并有微小涨落的情形；在第二个解中，宇宙膨胀又收 缩，微扰可以非常大并不显著衰减，宇宙演化的末期会非常无规而且混沌，魏尔张量极其巨大。这意味着用魏尔曲率假设表述的宇宙论时间箭头可以从无边界条件推 出。

彭罗斯同意霍金说的，魏尔曲率假设需要用一个更基本的理论来解释。但是，他又指出，无边界假设只是宇宙初始态结构的好的候选者，但是我们需要某种非常 不同的东西解释终结态的魏尔张量发散。而且，一个解释奇性结构的理论必然违反T，PT，CT以及CPT，才能产生某些具有魏尔曲率假设性质的东西。他同时 指出，霍金的无边界假设并不能排除白洞的存在；霍金提到的量子宇宙论场方程的复数解分别对应着：（A）宇宙大爆炸（度规微扰一开始衰减得厉害，后来增 大），相当于热力学不稳定态；（B）黑洞奇性和宇宙大挤压（魏尔张量已经发散，同时度规的微扰衰减消失），相当于热力学稳定态，确定热力学时间箭头意味着 如何从（A）过渡到（B）【8】。

让我们先来分析一下量子论中的时间箭头。受激态原子的自发辐射是一个不可逆过程，而且是热力学不可逆过程的微观机制。按照DLP测量理论，量子测量的 实质在于处于热力学或统计力学亚稳态的测量仪器与微观粒子发生量子作用，驱动亚稳态向稳态不可逆地演化。量子测量的确包含电子穿越气泡室形成微水滴，光子 被墙壁或底片吸收的不可逆过程，但在负测量结果的理想实验中，波包塌缩的不可逆过程很难求助于热力学过程。一般说来，量子测量的不可逆因素深深地卷入到了 热力学中。但是，即使测量仪器没有不可逆的记录过程，在负结果测量中发生的量子纯态向混合态的转变，也是典型的微观不可逆过程。

实际上，包括彭罗斯和霍金在内的多数物理学家误以为薛定谔方程是时间对称的，从而认为存在可逆性问题。我们可以从两个方面澄清问题。首先是，薛定谔方 程只有在势能U是保守势时，才可以写成定态形式，并有关系ψ*(-t)=ψ(t)，这时候量子过程的正向过程和时间反演过程的几率一样，从而过程对时间反 演不变。只有在这个条件下，我们才可以认为薛定谔方程时间反演不变，是可逆的。但在一般情况下，比如在一个处于非平衡态的孤立系统中，U与粒子的动量有 关；对于处于非定态的系统，如原子的自发辐射过程，就有ψ*(-t)≠ψ(t)，这时正向过程与反演过程的概率不相等，过程是不可逆的，薛定谔方程就不能 对时间反演不变。薛定谔方程不能提供相互作用能U的具体形式，目前在量子力学中U的形式实际上是按经典力学方式确定的。这也适用于霍金和彭罗斯关于量子引 力和时间箭头的讨论，霍金忽视引力势能可能会影响量子过程的可逆性；彭罗斯在涉及这个问题时没有彻底澄清引力势对量子过程的影响最后是如何通向宏观不可逆 性的，我们认为魏尔曲率假设的本质就是引力势在过去和未来两个时间方向的的不对称性。另外，在我们的分析中，U在作为非保守势时，它未必是引力势，比如电 磁场产生的洛伦兹力就是非保守势；而引力势也可能是保守势，所以彭罗斯把不可逆过程归结为量子引力的内在时间不对称性，也是可疑的。实际上，广义相对论中 的魏尔曲率与电磁场的洛伦兹力是类似的，因为在弱场线性近似下，魏尔曲率对应于牛顿万有引力场的狭义相对论效应——引力磁场效应，具有非保守力的特点，这 种非保守力在广义相对论的非线性结构中更为显著。所以，彭罗斯认为宇宙论时间箭头与魏尔曲率假设有关，实质上把握了广义相对论的内在非线性和非保守力机制 导致的不可逆效应。广义相对论具有产生非线性耗散结构的不可逆机制的引力不平衡条件，如果与热力学结合，热力学的时间箭头就与宇宙论时间箭头的引力不平衡 条件联系起来了。这个问题最后需要合理的量子引力论建立后才能彻底解决。

我们在分析了量子论中U过程的不可逆性以后，认为在CPT对称的前提下，只要薛定谔方程中的外势是非保守势，U过程在时间的两个方向就会给出不同的概 率幅，从而导致R过程的不可逆性。霍金误以为CPT对称自然导致量子过程特别是量子引力过程具有时间反演对称性，量子测量的不可逆性来自与热力学，黑洞和 宇宙事件视界有关的信息不完备性，就像玻恩所说的“不可逆性是把无知引入物理学基本定律的结果”；而实际上在不同的引力场中，特别是不同大小的黑洞附近， 物质或辐射被吸收或发射的概率不相等。但是，引力场中物质或辐射被吸收或发射的概率不相等，以及量子测量中R过程的不可逆性，并不象彭罗斯设想的那样要求 微观物理定律（特别是彭罗斯设想中的未来的正确的量子引力论CQG）破坏CPT对称，只要求某种非保守势导致量子过程在时间两个方向的演化概率不同。进一 步的分析可以发现，非保守势导致的量子过程的演化概率不同，是与非保守势在时间两端的稳定性分布不同有关。概率与信息不完备性有关，但是无论是概率的差异 还是信息的不完备程度，都有客观的原因；只有在与人的干预有关的过程中，主观性作为一种特殊的条件差异导致概率和信息的差异。

在涉及到宇宙学时间箭头时，广义相对论中黑洞与白洞的不对称性也是一个重要问题。彭罗斯认为，黑洞对应于热力学稳定态，白洞对应于热力学不稳定态，而 且不可能存在；霍金则认为，一旦考虑量子效应，黑洞和白洞的区分是模糊的，特别是微观黑洞和微观白洞完全等价。戴维斯指出，在涉及到黑洞霍金辐射时，我们 发现黑洞蒸发的早期阶段是缓慢的，最后阶段是爆发式的；就平均而论，形成黑洞的早期塌缩并不是这样的。所以，每一个塌缩和蒸发过程也存在微观不可逆过程， 黑洞和白洞在时间反演的意义上也不是等同的。理由如下：如果我们给出额外的假设，白洞奇点也将从黑洞蒸发过程的时间倒转过程中形成，那么喷发物质的随机性 将产生一个形成黑洞的随机扰动的时间逆转过程。只有当白洞象黑洞一样以相同的几率形成时，广义相对论的时间对称性才会得到保留。如果一个蒸发的黑洞总是等 价于它的时间反转过程（即白洞），它的行为必定在生存的开端和结尾是一样的。戴维斯认为广义相对论内在地具有时间不对称性，这与彭罗斯的立场接近；但是与 彭罗斯不同的是，他否定宇宙终结奇点类似于黑洞奇点。

戴维斯指出，在宇宙学情况下，初始奇点的随机性（即“分子混沌”）导致宇宙的时间不可逆性，混沌粒子运动是大爆炸过程中光滑宇宙流体的一个特点。如果 宇宙重新收缩，终极奇点态是混沌的或随机的而不是高度有序的（块状的），这与安置在一个假想的霍金盒子中的黑洞的情形相反，在那里奇点的随机形成和随即消 失带来的是时间的对称性，这种黑洞奇点的随机性是内在随机的。在宇宙学的情况下，终极奇点被赋予由宇宙动力学支配的奇点，所以塌缩到视界内的宇宙不是黑 洞。但是，宇宙终极奇点如何不同于黑洞奇点，以及宇宙是否真的象戴维斯所期望的那样振荡不息，这是一个没有澄清的问题。我们认为，只有搞清各种势在决定量 子波函数演化过程中如何影响从过去向未来演化的提供波ψ(t)和从未来像过去倒转演化的确认波ψ*(-t)的几率幅；特别是在各种奇点附近，由魏尔曲率决 定的引力势如何影响量子波在时间两个方向上的演化几率，才能解决宇宙演化的最后结局。

引力论与量子论相统一的理论还遥遥无期，宇宙论和量子论的时间之矢已然浮现，但远未被澄清。但是，对热力学第二定律的理解却在进一步深化，这特别归功于 以普里高津为首的布鲁塞尔学派的工作。普里高津提出的耗散结构论对热力学第二定律提出了新的理解：（1）热力学第二定律并不是在经典动力学基础之上的宏观 近似，而是动力学的基本原理，可以从它开始建立动力学的更一般的形式体系；（2）热力学第二定律并不意味着热力学系统的单向退化，它也是进化的原动力，熵 最大状态只是演化的终态，而在演化过程中，不可逆性导致自组织的出现。在远离平衡态的非线性体系中，通过耗散机制可以导致类似生命现象的复杂结构出现。走 向复杂化的进化过程在一定范围内与热力学不可逆过程一致。

普里高津指出，不可逆理论的构建方式有：（1）存在着不可逆理论，它们出于描述观察到的宏观不可逆性的明显目的而被构建出来，如热力学，扩散理论等 等。（2）通过引入隐含不可逆性的几率假定，从可逆的动力学方程中推导出不可逆性的理论。例如，在处理具有大数目的系统时，人们抛弃了动力学观点，而把碰 撞事件或一系统状态的改变看作是马尔代夫类型的随机过程，即在某种瞬间发生的事件只依赖于那个瞬间的状态而根本不依赖于过去的历史。于是，粒子碰撞造成的 不稳定性动力学关联在微观状态被打破，抹去了粒子过去运动的信息。分子运动论和统计力学就是这样构建出来的。（3）还有一些理论，它们基于时间反演不变的 理论，但通过引入初始条件或通过t的拉普拉斯变换，从而成为不可逆理论，宇宙学的时间箭头就是这样引入的。

普里高津认为，几率分布允许我们在动力学描述的框架内把相空间复杂的微观结构包括进去。因此，它包含附加的信息，此种信息在个体轨道的层次上不存在。 因为对于具有对初始条件敏感性的不稳定系统，个体轨道变得不可计算，只能给出多种运动形式的几率分布。于是，在分布函数ρ的层次上，我们得到一个新的动力 学描述，它允许我们预言包含特征时间尺度的系统的未来演化，这在个体轨道层次上是不可能的。个体层次与统计层次间的等价性被打存了。而对于稳定体系，“个 体”层次（对应于单个轨道）和“统计”层次（对应于系统）是等价的。在不可积动力学体系中，个体的某一轨道可以对应于不同的系统分布ρ，而同一系统分布ρ 可以对应不同的个体轨道，过去和未来的不对称性在系统层面上涌现出来，它意味着时间反演的初始系统分布是低几率的。普里高津认为宏观的时间方向是一种突现 现象，同时又主张寻求微观不可逆过程的理论描述。

概率随机性被引入物理学，第一次是热力学，第二次是量子力学。然而，这两次引入却被认为具有非常不同的含义。在热力学中，随机性被认为是主观引入的， 是无知的结果；而在量子力学中，随机性被认为是客观的，具有不可还原的终极意义。将热力学第二定律作为一个基本的事实，意味着微观层次的随机性也应该是客 观而非主观的，终极的非表面的。普里高津坚决反对熵和概率的主观主义解释，因为主观解释就意味着化学亲和力，热传导，粘滞性等等这一切与不可逆的熵产生相 联系的性质都和观测者有关。还不止于此，起源于不可逆性的组织现象在生物学中起作用的程度，使我们不能再把它们认为是由于我们的无知而产生的简单幻觉。普 里高津反问道：“我们自身——活生生的能够观察和操作的生物——只是由我们的不完善的感觉所产生的虚构之物吗？生与死之间的区别难道也仅仅是幻觉 吗？”【8】

普里高津指出，为了能把热力学第二定律当作动力学的一个基本假定，人们显然要求存在一种适当的“机制”，以便打破一般动力学描述的时间反演不变性。但 是，并非所有形式的对时间反演不变性的破坏能表达第二定律的内容。例如，人们相信，引起K介子衰变的超弱相互作用是违反时间反演不变性的，但他并不导致第 二定律，因为仍然能把它纳入哈密顿模式或幺正的动力学系统中去。

普里高津认为对称破缺机制必须是这样的，它使得用一个群描述的幺正演化成为用一个半群描述的非幺正演化，人们可以把一个李雅普诺夫函数或与之等价的H 定理和这个半群联系起来。假如由于这个某种原因，在动力学描述中并不允许一切态或初始条件都能在物理上实现，而只允许态的一个有限制的集合能在物理上得到 实现，而这些态在某个适当的意义上是时间非对称的，那么一种普遍和内在对称破缺就可能出现。

守恒动力系统中相空间的流就像“不可压缩的流体”，换句话说在相空间中“测度”守恒，动力学可借助于作用在分布函数上的幺正算符来表示，时间箭头没有 出现。对于充分不稳定的动力学系统，存在着非定域的描述；这类系统的特点是对初始条件的高度敏感性，从而导致运动的不稳定性。对这样的系统，原则上相空间 的轨道描述要由相空间的几率分布函数所代替，正像在量子力学中，粒子的轨道描述原则上不再适用，而要代之以几率波函数描述一样。而分布函数并不能约化为轨 道，就像波函数不能约化为经典轨道一样。

由于放弃了轨道描述，量子力学不得不引入算符运算，这是为了解释与经典的连续性变化完全不同的量子分立变化。对于运动不稳定的系统，由于放弃经典轨道 描述，使用算符十分自然，这时把动力学描述和概率描述联系起来的一个自然的途径是通过一种适当的变换Λ，它的时间反演形式是Λ’。热力学第二定律表述为一 个选择性原理：它断言存在着对称破缺变换Λ和Λ’，它们导致了相应于两个时间方向有区别的熵增半群Wt和Wt，而且存在着一个靠动力学来繁衍传递的选择 性原理，据此仅有一个对称破缺变换可导致物理真实的状态，并因而给出物理上可观察到的变化，这相当于“禁止盲目回测原理”。

变换算符Λ可以确定的系统既是“本征随机的”，又是“本征不可逆的”。只有当动力学运动具有高度不稳定性或对初始条件敏感时，这种对称破缺Λ才有可能 存在。不稳定动力学系统有着重要的性质：即在每一相点处都有两个（比整个相空间的维数低的）流形，一个随着t的增加在动力学作用下逐渐收缩，另一个随着t 逐渐扩张。收缩流形的运动在某种意义上象是一个单个的单元移向未来，它的所有的点都趋向于同样的命运；但是但我们越来越远地回顾过去，它们则有着发散的历 史状况。扩张的流形则相反：在其上的点有着发散开的将来行为；而当我们的目光折回到越来越遥远的过去，就找到了逐渐收敛的历史。

正是这种时间非对称客体的存在，使人们能够去构造对称破缺变换Λ（或Λ’），方法是给扩张流形和收缩流形赋予非等价的作用。事实上可以证明，选择 Λ（它给出t≥0时的熵增加变化）作为物理上可实现的对称破缺，这意味着把集中到收缩流形上的奇异分布函数排除在物理上可产生的态的集合之外。另一方面， 如果对称破缺是通过Λ’发生的，那么必须把与扩张流形相联系的态看作是物理上不可实现的态。热力学第二定律的真正含义是不可逆过程的时间反演所需要的初始 边界条件在自然界中被严格禁止，既不会在自然界中发现，也不会由我们制备出来，因此我们能把被允许的态与一个概率测度联系起来，并通过非幺正变换把决定论 动力学导向概率过程。与动力学态相关的状态信息也是通过对称破缺变换Λ引入的，所以对于某一个态和对于时间或速度反演相对应的态，其值是不一样的。如果用 这个观点理解彭罗斯的魏尔曲率假设，就是指从宇宙大塌缩或黑洞的终极奇点出发向宇宙初始大爆炸的初始奇点演化是一个被自然界禁止的过程。未来的物理学需要 理解宇宙大爆炸的条件是如何形成的，以及黑洞是否真的几乎永久地存在下去。

普里高津在这种更广泛形式的动力学即算符运算中，发现可以存在一个时间算符，它与动力学刘维算符是共轭的，从而显示了热力学（时间算符）与动力学（刘 维算符）的互补关系。这个算符所表征的是系统的内禀性质，相当于生物的“年龄”，而不是外部的标度时间，但时间算符的本征值与外部时间相对应我们发现，普里高津的微观不可逆过程，实际上是把不存在形成超前波的初始边界条件这一规则推广到了相空间中初始边界条件的选择中去。当然，在有限的范 围内，形成一个向里收缩的超前波是可能的，但在它们的边界之外，是没有超前波的；同样，局部的可逆过程和反转过程是有的，但是在总体的意义上，不可逆过程 不可能从根本上逆转，特别是在开放体系中，即使过程本身“复原”，环境中的不可逆变化仍然存在。另外，普里高津构造的各种算符只适用于不稳定系统，造成了 可逆过程与不可逆过程的二元论。实际上，无论是可逆过程还是不可逆过程，只要有相互作用，必定是时间箭头一致的。如果我们考虑到量子波函数中的相位因子或 其他隐变量，就会发现所谓的“可逆过程”，很可能是忽视了相位因子等隐变量的粗粒化结果。比如，在量子统计中，如果考虑相位因子的变化，粒子的全同性就消 失了。所有过程在绝对的意义上都是不可逆的，只有在忽视某些内外隐变量变化的粗粒化时，可逆过程就以近似的和理想化的形式出现了。而在热力学时间箭头的早 期讨论中，这个问题被倒过来了，似乎可以从理想化的可逆过程通过粗粒化的统计过程，推导出不可逆性，实际情况很可能是可逆过程不过是不可逆过程的粗粒化结 果。彭罗斯所说的U演化到R演化的转变最后也需要一个类似普里高津所说的从幺正演化群过渡为非幺正演化半群的处理。

（二）宇宙无限论的实验基础

摘自《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义的９７个悬而未决的难题： 94． 宇宙会一直膨胀下去吗？９５．宇宙大爆炸的量子起源是什么？９６．大爆炸之前可能存在什么？９７．我们的宇宙是否有兄弟姐妹？

Einstein：球面宇宙是有限的，又是无界的。 注：“球面宇宙”的球面，即其对外的界面，硬说其无界，硬称此体积有限大的东西为宇宙，这就是Einstein宇宙理论的立足点。

Einstein：如果宇宙无限大，宇宙物质密度必为0，如果宇宙物质密度不为0，宇宙必然是有限的【5】。

注：宇宙有多大，只与不动的立方厘米量有关，与物质毫无关系，与密度毫无关系。

谭天荣：只有对于“有限宇宙”，才能给出一个物质密度【6】。

简明不列颠百科全书：Einstein对宇宙认识的贡献是无与匹敌的。

中国大百科全书：Einstein以科学论据推论宇宙有限无界：这是宇宙观一次革命，它为宇宙膨胀理论和大爆炸宇宙学奠定了基矗

德西特：宇宙象一个正在长大的气泡，不断膨胀。

勒梅特：反推时间可知，所有星系所有物质被挤进宇宙蛋，一场大爆炸把它炸开，几十亿年后，留下现在的膨胀宇宙【4】。

注：任何膨胀体，都只能是在无限大空间中的一个空间区膨胀着的一细物，都只能是在无限多个上级配件中膨胀着的一个下级配件。

丁肇中：科学家相信，宇宙从爆炸来，爆炸以前，没有时间和空间。

注：任何爆炸，都只能是结构性配件的下级配件，在一定的运动持续过程或时间，在一定的空间区高速离散的现象。

伊壁鸠鲁：宇宙过去和现在一样，将来也永远如此：它的空间无限大，它的有形体无限多。

霍金在《时间简史》中也说过：“我认为大爆炸有着明显的宗教意蕴。”宇宙学是建立在观测事实的基础上，它必须对观测事实进行数学处理，建立理论模型；理论模型必须给出可供观测的预言。例如，宇宙能否作为一系统并被进行整体研究，在宇宙学中并不是显而易见的：(1)宇宙必须表现出可观测的大尺度统一特征；(2)宇宙各部分之间必须存在物理上的联系机制(不能是抽象的“普遍联系”)；(3)在地球这个局部所发现的自然规律可以适当地外推到整个宇宙。大尺度红移现象的发现为第一点提供了观测证据，引力理论的发展(广义相对论)为第二点提供了物理理论根据，第三点虽然无法得到证据，但对这个问题(也是一切自然科学甚至一切科学面临的问题)，科学家都持一种经验主义的谨慎的态度。正是这三点都有一种科学上能容忍的答案，现代宇宙学才敢于把宇宙作为一个整体(Universe as a whole)来进行科学的研究。

薛定谔认为：“一个只有剔除了一切人格化因素才能得到的宇宙模型不会为人格化的上帝所造。由此我们可知，科学家们并不是从经验事实出发否定了上帝的存在，或限制了上帝的作用，而是他们采取的方法一开始就排除了上帝。”

世界上许多著名的物理学家评论了宇宙背景辐射发现的物理意义。伯格曼认为，在宇宙尺度上，相对性原理被破坏了；宇宙背景辐射只在一个独一无二的参考系中各向同性，在这个意义上，那个参考系代表“静止”。韦斯科夫认为，无论如何，观察到的2.7K辐射决定了一个各向同性的绝对坐标系；迈克尔逊和莫雷的梦想变成了现实，即找到了我们太阳系的绝对运动，不过不是相对于以太，而是相对于光子气。斯塔普认为，2.7K背景辐射定义了一个优越的参考系，利用它可以决定事件发生的绝对顺序。哈肯也认为，狭义相对论否定了特殊参考系的存在，但是宇宙背景辐射却成了一个绝对参考系。罗森甚至认为，宇宙学的最新发现要求回到绝对空间的观念。胡宁认为，在迈克尔逊实验的零结果和以太模型之间没有出现任何矛盾；在某种意义上，上述400公里/秒的速度可以看作是迈克尔逊所要测量的地球相对以太运动的速度，他认为，宇宙背景辐射的各向同性分布所决定的坐标系，可以看作是真空的静止坐标系；相对性原理的适用范围应有一定的限度。在1979年美国普林斯顿纪念Einstein诞生一百周年大会的报告中，狄拉克也对此作了评述。他说：“这样就有一个优惠的观察者，对他来说，微波辐射是对称的。可以说，这个优惠的观察者在某种绝对的意义上是静止的，也许他就对以太静止。这恰恰与Einstein的观点相矛盾。”“在某种意义上说，洛伦兹是正确的而Einstein是错误的，因为Einstein说过的一切，就是根源于当时的物理学不可能显示出绝对零速度。”

哥白尼的宇宙边界是太阳系，随着人们观测水平不断地提高，视界在不断地扩大。实际上，望远镜可以越造越大，视野越伸越远，总可以观察到以前没有观察到的空间，自然而然地形成无限无边的宇宙概念。自伽利略和牛顿之后，人们普遍接受了时空的无限性。特别有了空间坐标系以后，可以很直观地把宇宙的体积看成是无限的，无论沿宇宙空间中任何一点的任何一个方向看过去，都不能找到它的边界，宇宙空间是欧几里德几何中的三维的无边和无限的空间。无限、无边的观点之所以被普遍承认，除了天文观测事实以外，若承认宇宙是有边界的，或有限无边的，都有会碰到这样一个无法解答的问题：界限的外面又是什么？无限、无边的宇宙观和牛顿的无限的时空相吻合。牛顿力学为无限、无边的宇宙观点提供了依据。因为按万有引力的规律，一个有边界的宇宙将不能保持稳定，在边界上的星球将处于特殊位置，星际间的万有引力将把它拉向中心。于是，一个无限无边的宇宙模型又从牛顿力学找到了根据。

在观测中，宇宙是高度均匀的。物质的物理性质和分布都是均匀的。无限数目的星在体上以均匀的密度分布在宇宙空间中，无论哪个天体，哪处时空和哪个方向都不居于特殊地位，它说明宇宙的结构是如此一致，我们有可能以一种极为简单的方式建立全宇宙的模型。

（三）宇宙无限论的理论基础

如果宇宙是在膨胀，宇宙常数就不该有。但是直到目前为止，也还没有一个人能找出一个理论上的论据来证明这一项不该有。这一困难，即“宇宙常数问题”，是今日物理学中最深刻的未被解决的问题之一（笔者注：按照前面的观点宇宙常数的实质是引力的反作用力——弱相互作用的表现形式）。1998年以前，物理学家和天文学家一般都认为宇宙学常数等于0或很小可忽略，而且粒子物理学家认为，宇宙学常数可以看作宇宙真空能量密度的一种量度。但近几年来，越来越多的观测证据表明，宇宙正处于加速膨胀的阶段，一个正的宇宙学常数对所观测到的数据有最好的拟和结果，几乎所有的宇宙学家都相信宇宙学常数的存在，并期待在宇宙学上有更多的观测效应如果宇宙在膨胀，宇宙不存在中心，距离观察者越远膨胀速度越大的原因为何，Big Bang Cosmology的起点在何处？按照Big Bang Cosmology理论，地球与太阳之间的距离应当越来越大，太阳的辐射频率应当越来越校在宇宙的Big Bang Cosmology过程中，温度和密度随着时间的流逝而下降。在Big Bang Cosmology早期，温度太高，原子和分子均无法存在，自然力的强度随环境温度的变化而变化，现代物理学认为分子的平均动能E=1.5kT，那么温度的实质是何？

根据场的space-time本质的观点，能量是物质与space-time的相互作用，如果认为引力质量具有正的能量，那么必须认为引力场具有负能量，自然界不存在负引力质量的物体，物理学家预言宇宙中存在负引力质量，但是没有发现由负引力质量形成的物质原因在于此。引力定律确保了宇宙中所有质量之间的（负的）引力位能，必定永远和每个质量m相关联的（正的）能量mc²的总和大小相等、符号相反。因此总的结果准确的等于0。现代物理学认为物质的引力场的质量是静止质量的10^-37倍，原因在于它只是计算的其space-time量子形式。整个宇宙的电磁质量之和为0，物理学中的反物质是电磁质量不同，引力质量相同。现代天文学测得宇宙的扩张速度正在加快，像有一股普遍的推动力持续将space-time结构向外推，原因在于正负引力质量间相互排斥，不至于把宇宙卷曲到无限小的尺度，所以宇宙不存在起源问题。

相对论甚至不能对径向多普勒效应做出合理的解释。多普勒现象是：光源远离观察者时光谱红移，迎向时则蓝移。相对速度愈大频移愈甚。频率红移应当是观察者测得的现象，根据space-time平权理论，距离的增加相当于时间的延缓，因此频率减校因此红移量与距离成正比，光源越远，它远离我们的速度也越快，即V=H×R，哈勃的发现验证了这个问题。Big Bang Cosmology是space-time量子现象，随着时间量子的流逝，空间逐渐增大，而非标准space-time，标准space-time本身不变，微波背景辐射的温度朝不同方向看如此一致，说明space-time的本质是场，它是零点振动的表现形式，应当重新分析这些实验。类星体是射电天文学观测的结果。它的特点是红移特别巨大。根据哈普定理：红移越大，相对地球退行的速度也越大，离地球也就越遥远。这样，类星体就被解释成一个远离地球、且相对地球高速退行的天体。从而引发了远距离与大能量的矛盾。

热的本质如果归结为量子的碰撞（宏观上或微观上），那么就可以理解微波背景辐射的温度，自然力的强度随温度的变化而变化。热辐射的本质其实就是由于电磁质量能级的变化而辐射electromagnetic field，温度的本质应该解释为electric field与引力场的强度，可以运用实验证明这个观点，因此热质说有其正确的一面。物体在碰撞过程中能量的损失的过程应当是机械能——电磁能——内能——电磁能之间的相互转化，由中子组成的物体之间的碰撞不会发生这一过程。传导与辐射本质上是一样的。空间增大时，时间缩短，容易理解Minkowski方程s²=(ct)²—(x²+y²+z²)，也进一步验证了广义相对论的正确。

Roger Penrose证明，如果宇宙中物质施加的引力总是表现为吸引，并且宇宙中存在着足够的物质，那么这些物质的引力效应就使人们不可能无限地沿着时间往回追踪所有的光线。某些（也可能是所有的）光线必定会达到一个终点——“奇点”，即光线在其轨迹的尽头达到了space-time的边缘。如果我们把宇宙的整个历史——所有的空间和所有的时间——想象成伸展在我们面前的一张硕大无比的纸，那么我们就有可能在某些特殊的地方发现一种密度和温度无限大的“奇点”。【1】根据奇点定理，在具有合理物质源的广义相对论的经典理论中，引力坍缩情形中的空间——时间奇性是不可避免的。利用时间方向的反演可以得到相应的初始的空间——时间奇性是不可避免的。物质与space-time在初始奇点创生，在终极奇点消灭，这两种奇点也许存在一个准确的时间对称。如果Euclid空间——时间延伸到无限的虚时间，或者在一个虚时间的奇点处开始，就有了和经典理论中指定宇宙初态的问题，但是我们提不出任何特别的原因，认为它应当以这种而不是那种方式开始。在经典广义相对论中，因为所有已知的科学定律在Big Bang Cosmology奇点处失效，人们不能预言宇宙是如何开始的。引力似乎存在不同于粗粒化产生的内禀引力熵的出现，宇宙可以从一个非常光滑和有序的状态开始。霍金说：“广义相对论导致了自身的失效：它预言它不能预言宇宙。”

另一方面，Einstein认为：自然界的真实定律不可能是线性的，也不可能从这种线性定律推导出来。Maxwell方程组表现的几何定理就是：“边界的边界是不存在的。”当空间——时间曲率变大，量子引力效应明显，经典广义相对论没有把量子力学不确定性原理合并在里面，人们必须用量子引力论去理解宇宙是如何开始的。量子引力论开辟了另一种新的可能性，在这儿空间——时间没有边界，所以没有必要指定边界上的行为，没有使科学定律失效的奇点，不存在在该处必须祈求某些新的定律给空间——时间设定边界条件的空间—时间边缘。因为整个宇宙的正引力质量为无穷大，空间和时间可能会共同形成一个在尺度上有限而没有任何边界或边缘的面，所以绝对空间弯曲为一个半径为无穷大的封闭的球形空间，而封闭的球形空间对光线有一种独特的聚焦作用，使得物体向远处运动时在一定距离上越来越大。由于绝对空间的运动速率为光速，整个宇宙是一个四维space-time连续统，不存在时间量子，只有在相对space-time中才有时间量子，因此不存在宇宙起源问题。人们可以说：“宇宙的边界条件是它没有边界。”宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响，它既不能被创生，也不能被消灭，它就是存在。因此宇宙不存在起源问题，宇宙应当是时间上无始无终、空间上无边无缘，造物主无所事事的宇宙，这也符合唯物辩证法的基本观点——space-time在本质上是无限的【3】。

现代物理学认为宇宙始终以接近于（其实相等）区分收缩和永远膨胀模型的临界膨胀率的速率膨胀，说明宇宙无始无终。物理学在时间的大门口（Big Bang Cosmology、大坍缩）走到了尽头；但另一方面，尽管有那么多表面上的变化，物理学在人们心目中始终走它的永恒之路。在物理学的描述中，“时间”不是一个原始范畴，在使用时间已临近“时间的大门口”这一观念是错误的 。 亚里士多德认为时间既是事物运动的尺度也是事物静止的尺度，实质上已得出了时间是物质持续性的量度，时间既不是运动，又不能脱离运动，它依赖于物质的运动而客观存在着。时间是无限的，既时间在量上是无限的，又是无限可分的。宇宙既不生成，也不可能消灭，是单一的和永恒的，它的整个时期既无开端也无终结，在自身包含着无限的时间。【2】对整个宇宙来说，宇宙既没有来，也没有去。关于大爆炸理论，它可以是宇宙存在过程中的一个环节，而决不可能是宇宙的起源。如果说是起源也只能说是某个阶段的起源，宇宙是不存在一个绝对开始的那种“起源”的。宇宙学是一门最深奥的科学，地球人认识宇宙，只能逐步深化，永无止境。

参考文献：

【1】何香涛，乔戈，“霍伊尔和他的稳恒态宇宙”，《自然辨证法研究》，Vol. 9, No. 1, 1993。(He Xiangtao, Qiao Ge, “Sir Fred Hoyle and His Theory of Steady State Universe”, Studies in Dialectics of Nature, Vol. 9, No. 1, 1993.)

【2】《物理》第31卷第2期117页。

【3】［英］约翰. D. 巴罗 著 卞锍麟 译.《宇宙的起源》 上海科学技术出版社 1996年6月

【4】阿西摩夫.古今科技名人辞典.北京：科学出版社，1988.331；385.

【5】Einstein.狭义与广义相对论线说.上海科学技术出版,1964. 90；96.

【6】谭天荣.哥本哈根迷误.陕西科学技术出版社，1988.134.

【7】[英]史蒂芬·霍金 罗杰·彭罗斯：《时空本性》，p97,杜欣欣 吴忠超 译，湖南科学技术出版社，根据1996年英文版译出。

【8】[比]伊·普里高津 [法]伊·斯唐热：《从混沌到有序》，p304,曾庆宏 沈小峰 译，上海译文出版社，1987年8月第1版。